JP6972349B2 - レクテナ制御器及びそれを備えたレクテナ装置 - Google Patents

レクテナ制御器及びそれを備えたレクテナ装置 Download PDF

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Description

本発明は、レクテナ制御器及びそれを備えたレクテナ装置に関する。
将来の無線給電システム及び宇宙太陽光発電システムの受電部として、マイクロ波等の高周波を受電して、直流電力に変換するレクテナ（Ｒｅｃｔｅｎｎａ：Ｒｅｃｔｉｆｙｉｎｇ Ａｎｔｅｎｎａ）を有するレクテナ装置の利用が検討されている。
レクテナ装置は、レクテナにより、マイクロ波等の高周波を受電して、直流電力に変換し、例えば、蓄電池又は動力機等の負荷にレクテナで発電された電力が供給され、蓄電池又は動力機等の負荷の抵抗値の大きさによって、レクテナ装置における高周波から直流への電力変換効率（ＲＦ−ＤＣ変換効率）が変化する。そのため、レクテナ装置は、その負荷の抵抗値によらず、高い電力変換効率を維持するため、レクテナと負荷との間にレクテナの出力電圧を制御する、例えば、ＤＣ−ＤＣコンバータ等のレクテナ制御器を備える（特許文献１参照）。
また、レクテナに過度の電圧がかからないようにレクテナを保護する、例えば、ツェナーダイオードのような過電圧保護回路がレクテナとレクテナ制御器との間に設けられるレクテナ装置がある（特許文献２参照）。
特開２０１６−１１６３２５ 特開２０１５−８９２３９
しかしながら、従来のレクテナ装置は、例えば、レクテナが発電を行っていない場合、レクテナ制御器はＯＦＦ状態になり、レクテナと負荷との間は開放状態になる。そのため、レクテナが発電を行っていないときに、レクテナにマイクロ波が受電されるなどの大きな電力が入力された場合、レクテナ制御器が起動する前でレクテナと負荷との間が開放状態であるため、レクテナに印加される電圧が急激に上昇し、レクテナの降伏電圧を超え、レクテナが故障してしまうという問題がある。
また、レクテナとレクテナ制御器との間にツェナーダイオードのような過電圧保護回路を設ける従来のレクテナ装置は、レクテナが受電し変換したＤＣ電圧を制限することができるものの、レクテナにはＤＣ電圧の倍程度の振幅を有するＲＦ電圧が急激に上昇して印加されるため、レクテナの劣化を早め、レクテナが故障してしまうという問題がある。
そこで、本発明は、このような従来技術の問題点を解決すべくなされたものであって、レクテナに印加される電圧の急激な上昇を防ぎ、レクテナが故障するのを防ぐことができるレクテナ制御器及びそれを備えたレクテナ装置を提供することを目的とする。
以上の目的を達成するために、本発明のレクテナ制御器は、高周波を受電し、直流電力に変換するレクテナに接続され、レクテナから入力される直流電力を制御し、負荷へ供給するレクテナ制御器であって、レクテナで変換された直流電力が入力される入力端子と、制御された直流電力を負荷へ供給する出力端子と、入力端子と出力端子とを結ぶ電流経路に設けられる第１スイッチング素子と、第１スイッチング素子を制御する制御部と、を備え、第１スイッチング素子は、制御部が動作していないとき、導通状態になり、電流経路を導通状態にする。
以上のように構成された本発明のレクテナ制御器及びそれを備えたレクテナ装置は、第１スイッチング素子が、制御部が動作していないとき、導通状態になり、電流経路を導通状態にすることにより、レクテナに印加される電圧の急激な上昇を防ぎ、レクテナが故障するのを防ぐことができるレクテナ制御器及びそれを備えたレクテナ装置を提供することができる。
本発明の実施の形態１であるレクテナ装置の構成を示すブロック図。 本発明の実施の形態１であるレクテナ装置の詳細な構成を示す回路図。 本発明の実施の形態１であるレクテナ制御器の一部の構成を示す回路図。 本発明の実施の形態２であるレクテナ装置の構成を示す回路図。 本発明の実施の形態３であるレクテナ装置の構成を示す回路図。 本発明の実施の形態３であるレクテナ装置の別の構成を示す回路図。
はじめに、この発明のレクテナ制御器及びそれを備えたレクテナ装置の構成について、図面を参照しながら説明する。なお、図は模式的なものであり、機能又は構造を概念的に説明するものである。また、以下に示す実施の形態により本発明が限定されるものではない。特記する場合を除いて、レクテナ制御器及びそれを備えたレクテナ装置の基本構成は全ての実施の形態において共通である。また、同一の符号を付したものは、同一又はこれに相当するものであり、このことは明細書の全文において共通する。
ここで、以下の本発明の各実施の形態では、レクテナによって受電される高周波として、マイクロ波を用いて説明を行うが、必ずしもこれには限定されない。
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１であるレクテナ装置の構成を示すブロック図である。
図１に示すように、本実施の形態であるレクテナ装置１は、レクテナ１０とレクテナ制御器２０とを備え、レクテナ制御器２０は、例えば、蓄電池、動力機又は電力系統等の負荷３０に接続される。レクテナ装置１は、レクテナ１０とレクテナ制御器２０とを一つのユニットとして、一次元又は二次元にアレイ状に複数配列される。
レクテナ１０は、例えば、マイクロ波を受電して、直流電力に変換する素子であり、図１に示すように、受電アンテナ１２と、入力フィルタ１４と、整流器１６と、出力フィルタ１８とを備える。
受電アンテナ１２は、例えば、マイクロ波を受電するものであり、例えば、ダイポールアンテナ又はマイクロストリップアンテナ等で構成される。
受電アンテナ１２から受電されるマイクロ波の周波数としては、例えば、２．４〜２．５ＧＨｚ又は５．８ＧＨｚ帯の周波数が用いられるが、これには限定されず、例えば、８００ＭＨｚ〜２ＧＨｚ帯又は３ＧＨｚ〜３０ＧＨｚ帯を用いてもよい。
入力フィルタ１４は、図１に示すように、受電アンテナ１２に接続され、受電アンテナ１２から入力されたマイクロ波を透過し、整流器１６がマイクロ波を整流したときに発生するマイクロ波の高調波成分が、受電アンテナ１２側に出力されるのを防止するフィルタである。入力フィルタ１４は、このマイクロ波の高調波成分を遮断するため、例えば、バンドパスフィルタ又はローパスフィルタ等で構成される。
整流器１６は、例えば、整流ダイオードであり、受電アンテナ１２から入力されたマイクロ波を整流し直流電力に変換するものであり、図１に示すように、入力フィルタ１４と出力フィルタ１８との間に接続される。
出力フィルタ１８は、整流器１６により整流され、変換された直流電力を透過するとともに、整流器１６がマイクロ波を整流したときに発生するマイクロ波の高調波成分が、レクテナ制御器２０側に出力されるのを防止するフィルタであり、図１に示すように、整流器１６の出力側に接続される。出力フィルタ１８は、このマイクロ波の高調波成分を遮断するため、例えば、バンドパスフィルタ又はローパスフィルタ等で構成される。ここで、出力フィルタ１８は、整流器１６で整流されなかったマイクロ波の残留成分も、高調波成分と同時に遮断するフィルタでもよい。
レクテナ制御器２０は、整流器１６によるマイクロ波からの直流電力への電力変換効率（ＲＦ−ＤＣ変換効率）が最大になるように、レクテナ１０と負荷３０との間のインピーダンス調整を行うことにより、整流器１６の出力電圧の電圧制御を行うものであり、図１に示すように、出力フィルタ１８と負荷３０との間に接続される。
上述のように構成される本実施の形態であるレクテナ装置１は、受電アンテナ１２により、マイクロ波を受電し、整流器１６により、受電アンテナ１２から入力されたマイクロ波を整流し直流電力に変換する。そして、レクテナ装置１は、レクテナ制御器２０により、変換された直流電力の電力変換効率が最大になるように、レクテナ１０と負荷３０との間のインピーダンス調整を行うことにより、整流器１６の出力電圧の電圧制御を行い、例えば、蓄電池、動力機又は電力系統等の負荷３０に適した電圧の直流電力を供給する。
次に、本実施の形態であるレクテナ制御器２０の構成について、詳細に説明を行う。図２は、本実施の形態であるレクテナ装置１の詳細な構成を示す回路図であり、特に、レクテナ制御器２０内の回路構成を詳細に示したものである。
図２に示すように、本実施の形態であるレクテナ制御器２０は、レクテナ１０と接続される入力部４０と、負荷３０と接続される出力部５０と、入力部４０と出力部５０との間に接続される電圧制御部６０と、電圧制御部６０を制御する制御部７０とを備える。
入力部４０は、図２に示すように、入力端子４２と、接地される入力接地端子４４とを備え、レクテナ１０により直流電力に変換された入力電圧Ｖｉｎが入力部４０に入力される。
出力部５０は、図２に示すように、出力端子５２と、接地される出力接地端子５４とを備え、レクテナ１０により変換された直流電力の電力変換効率が最大になるように、電圧制御部６０によって電圧制御された入力電圧が出力電圧として出力部５０から負荷３０へ供給される。
電圧制御部６０は、図２に示すように、入力部４０と出力部５０との間に設けられ、例えば、ＤＣ−ＤＣコンバータからなり、制御部７０の制御により、変換された直流電力の電力変換効率が最大になるように、レクテナ１０と負荷３０との間のインピーダンス調整を行い、レクテナ１０の入力電圧の電圧制御を行う。
図２に示すように、電圧制御部６０は、キャパシタＣ１、キャパシタＣ２、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４及びインダクタＬ１とを備える。キャパシタＣ１は、入力端子４２と入力接地端子４４との間に接続され、キャパシタＣ２は、出力端子５２と出力接地端子５４との間に接続される。スイッチング素子Ｑ１は、一端が入力端子４２とキャパシタＣ１の一端に接続される。スイッチング素子Ｑ２は、一端がスイッチング素子Ｑ１の他端に接続され、他端は接地され、キャパシタＣ１と並列に接続される。スイッチング素子Ｑ３は、一端が出力端子５２とキャパシタＣ２の一端に接続される。スイッチング素子Ｑ４は、一端がスイッチング素子Ｑ３の他端に接続され、他端は接地され、キャパシタＣ２と並列に接続される。スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４の制御端子は、それぞれ制御部７０に接続される。インダクタＬ１は、一端がスイッチング素子Ｑ１の他端及びスイッチング素子Ｑ２の一端に接続され、他端がスイッチング素子Ｑ３の他端及びスイッチング素子Ｑ４の一端に接続される。
制御部７０は、図２に示すように、ＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御部７２と、入力電圧測定部７４と、出力電圧測定部７６とを備える。
ＰＷＭ制御部７２は、図２に示すように、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４の各制御端子に接続され、変換された直流電力の電力変換効率が最大になるように、レクテナ１０と負荷３０との間のインピーダンス調整を行うことにより、レクテナ１０の入力電圧の電圧制御を行うため、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４の各制御端子に制御信号を入力し、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のＯＮ／ＯＦＦ制御を行う。
入力電圧測定部７４は、図２に示すように、入力部４０の入力端子４２の入力電圧Ｖｉｎを測定し、ＰＷＭ制御部７２に測定した入力電圧値を送る。出力電圧測定部７６は、図２に示すように、出力部５０の出力端子５２の出力電圧Ｖｏｕｔを測定し、ＰＷＭ制御部７２に測定した出力電圧値を送る。
ＰＷＭ制御部７２は、入力電圧測定部７４により測定された入力電圧Ｖｉｎ及び出力電圧測定部７６により測定された出力電圧Ｖｏｕｔに基づいて、変換された直流電力の電力変換効率が最大になるとともに、レクテナ１０の整流器１６が降伏しないように、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４の制御信号のデューティ比をフィードバック制御し、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のＯＮ／ＯＦＦ制御を行う。
制御部７０内のＰＷＭ制御部７２、入力電圧測定部７４及び出力電圧測定部７６は、レクテナ１０から入力される入力電圧Ｖｉｎから不図示の定電圧レギュレータを介して供給される駆動電圧により動作する。
ここで、制御部７０がレクテナ１０からの入力電圧Ｖｉｎに基づいて動作をする場合、スイッチング素子Ｑ２，Ｑ４は、ノーマリオフ型のスイッチング素子、例えば、Ｐ型又はＮ型のエンハンスメント型ＭＯＳＦＥＴ等を用いることが好ましい。
本実施の形態であるレクテナ制御器２０のスイッチング素子Ｑ１，Ｑ３は、入力部４０の入力端子４２と出力部５０の出力端子５２とを結ぶ電流経路Ｐ１に設けられ、制御部７０が動作していないとき、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ３は導通状態になり、電流経路Ｐ１を導通状態にする。具体的には、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ３は、例えば、ディプレッション型ＭＯＳＦＥＴ又はＧａＮ−ＨＥＭＴ等のノーマリオントランジスタを用いることができる。また、エンハンスメント型のＰ型ＭＯＳＦＥＴ等も用いることができ、エンハンスメント型のＰ型ＭＯＳＦＥＴにおいては、ゲートと接地電位との間にプルダウン抵抗を設けることで、レクテナ１０からの入力電圧がＰ型ＭＯＳＦＥＴのゲート−ソース間のしきい値電圧を超えた際に、ソース−ドレイン間が導通状態になり、制御部７０が動作していないとき、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ３を導通状態にすることができる。また、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ３は、制御部７０が動作していないとき、つまり、制御部７０からスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４に制御信号が出力されていないとき、電流経路Ｐ１が導通状態になるように導通状態になるスイッチング素子である。ここで、ノーマリオントランジスタは、例えば、ゲート−ソース間電圧が０Ｖのときにソース−ドレイン間が導通状態になるトランジスタである。
以上より、本実施の形態であるレクテナ制御器２０は構成される。
次に、本実施の形態であるレクテナ制御器２０の動作について説明を行う。
上述した通り、通常動作の場合、レクテナ装置１は、受電アンテナ１２により、マイクロ波を受電し、整流器１６により、受電アンテナ１２から入力されたマイクロ波を整流し直流電力に変換する。そして、レクテナ装置１は、レクテナ制御器２０により、変換された直流電力の電力変換効率が最大になるように、レクテナ１０と負荷３０との間のインピーダンス調整を行うことにより、整流器１６の出力電圧の電圧制御を行い、例えば、蓄電池、動力機又は電力系統等の負荷３０に適した電圧の直流電力を供給する。
このとき、レクテナ制御器２０は、変換された直流電力の電力変換効率が最大になるように、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のＯＮ／ＯＦＦ制御を行っている。このスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のＯＮ／ＯＦＦ制御は、ＰＷＭ制御部７２により行われ、入力電圧測定部７４により測定された、レクテナ１０から入力された直流電力に対応する入力電圧Ｖｉｎと、出力電圧測定部７６により測定された、電圧制御部６０から出力される出力電圧Ｖｏｕｔに基づいて、直流電力の電力変換効率が最大になるように、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４の制御信号のデューティ比をフィードバック制御し、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のＯＮ／ＯＦＦ制御を行う。
具体的に説明すると、本実施の形態であるレクテナ制御器２０は、スイッチング素子Ｑ１とスイッチング素子Ｑ２、及び、スイッチング素子Ｑ３とスイッチング素子Ｑ４が同期整流型の構成を有し、スイッチング素子Ｑ１がオンのとき、スイッチング素子Ｑ２はオフし、スイッチング素子Ｑ３がオンのとき、スイッチング素子Ｑ４はオフし、それぞれ逆の導通状態なるようにＰＷＭ制御部７２により同期してデューティ比が制御される。
例えば、レクテナ１０から見た出力側のインピーダンスを、負荷３０に対して大きくする場合、まず、スイッチング素子Ｑ３のデューティ比を１、スイッチング素子Ｑ４のデューティ比を０に固定する。次に、スイッチング素子Ｑ１のデューティ比を小さくする制御をすることで、入力側からの電流値を減少させ、入力側から見たインピーダンスを大きくすることができ、レクテナ制御器２０からの出力電圧は、レクテナ１０からの入力電圧よりも小さく制御でき、レクテナ制御器２０の出力電流は、レクテナ１０からの入力電流よりも大きく制御することができる（降圧動作）。
これに対して、レクテナ１０から見た出力側のインピーダンスを、負荷３０に対して小さくする場合、まず、スイッチング素子Ｑ１のデューティ比を１とし、スイッチング素子Ｑ２のデューティ比を０に固定する。次に、スイッチング素子Ｑ３のデューティ比を０から増加させる制御をすることで、スイッチング素子Ｑ３を通ってレクテナ１０に帰還する電流成分が増加し、レクテナ１０から見た出力側のインピーダンスを小さくすることができ、レクテナ制御器２０からの出力電圧は、レクテナ１０からの入力電圧よりも大きく制御でき、レクテナ制御器２０からの出力電流は、レクテナ１０からの入力電流よりも小さく制御することができる（昇圧動作）。
これら降圧動作及び昇圧動作の制御は、入力電圧測定部７４及び出力電圧測定部７６により測定された入力電圧Ｖｉｎ及び出力電圧Ｖｏｕｔに基づき、ＰＷＭ制御部７２により、レクテナの直流電力の電力変換効率が最大になるように行われる。
次に、制御部７０が動作をしていない場合のレクテナ制御器２０の動作及びその効果について説明を行う。ここで、制御部７０が動作していない場合とは、レクテナ１０にマイクロ波が受電されておらず、直流電力への変換動作が行われていないため、制御部７０に駆動電圧が供給されていない場合、又は、レクテナ１０が故障していて、制御部７０に駆動電圧が供給されていない場合等、制御部７０に駆動電圧が供給されていないため、制御部７０が動作しておらず、制御部７０からスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４に制御信号が出力されていない場合をいう。本実施の形態では、レクテナ１０にマイクロ波が受電されておらず、直流電力への変換動作が行われていないため、制御部７０に駆動電圧が供給されていない場合を例に説明を行う。
レクテナ１０にマイクロ波が受電されておらず、直流電力への変換動作が行われていないため、制御部７０に駆動電圧が供給されていない場合において、レクテナ１０の受電アンテナ１２にマイクロ波が受電されると、レクテナ１０は受電したマイクロ波を直流電力に変換し、レクテナ１０からの入力電圧Ｖｉｎは急激に上昇する。
このとき、レクテナ制御器２０の制御部７０は、通常、入力電圧Ｖｉｎに基づき定電圧レギュレータを介して駆動電圧が供給され、動作を行っているが、マイクロ波の受電開始後すぐは、制御部７０には駆動電圧が供給されておらず、制御部７０は動作していない。
従来のレクテナ装置では、制御器が動作していないため、レクテナ制御器はＯＦＦ状態で、レクテナと負荷との間は開放状態になるため、レクテナに印加される電圧が急激に上昇し、レクテナの降伏電圧を超え、レクテナが故障してしまう問題点があった。
しかしながら、本実施の形態であるレクテナ制御器２０は、上述した通り、入力端子４２と出力端子５２とを結ぶ電流経路Ｐ１に設けられるスイッチング素子Ｑ１，Ｑ３に、制御部７０が動作していないとき、導通状態になるスイッチング素子を用いている。
そのため、レクテナ１０の受電アンテナ１２にマイクロ波が受電され、レクテナ１０から急激に上昇した直流電力がレクテナ制御器２０に供給された場合、制御部７０が動作していなくても、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ３は導通状態であり、急激に上昇した直流電力は、スイッチング素子Ｑ１、インダクタＬ１、スイッチング素子Ｑ３を通って、負荷３０に供給され、接地電圧に帰還する。これにより、レクテナ１０に印加される入力電圧は低下し、入力された直流電力が急激に上昇するのを防ぐことができるため、レクテナ１０への急激な印加電圧の上昇に伴う整流器１６の降伏を防ぎ、レクテナ１０が故障するのを防ぐことができる。
その後、入力電圧Ｖｉｎに基づき定電圧レギュレータを介して駆動電圧が供給されるため、制御部７０は動作を開始し、レクテナ制御器２０は、上述した通常動作を行う。
以上より、本実施の形態であるレクテナ制御器及びそれを備えたレクテナ装置は、制御部が動作していないとき、スイッチング素子は導通状態になり、電流経路を導通状態にすることにより、レクテナに印加される電圧の急激な上昇を防ぎ、レクテナが故障するのを防ぐことができる。
また、従来では、レクテナ制御器がＯＦＦ状態におけるレクテナへの急激な印加電圧の上昇を考慮して、高い降伏電圧を有するレクテナを用いる必要があったが、本実施の形態であるレクテナ制御器は、制御部が動作していないとき、導通状態になるスイッチング素子を設けることで、レクテナに印加される電圧が急激に上昇するのを防止することができるため、従来よりも降伏電圧の小さい安価なレクテナを用いることができるので、本実施の形態であるレクテナ装置のコストを低減させることができる。
ここで、制御部７０が動作していないとき、電流経路Ｐ１が導通状態になるように、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ３が安定して導通状態になるため、例えば、図３に示すように、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ３のゲート−ソース間に数ｋΩ程度のプルアップ抵抗Ｒ１，Ｒ２を設けることができる。
その場合、レクテナ制御器２０の制御部７０が動作しておらず、ＰＷＭ制御部７２がスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４を制御していないとき、数ｋΩ程度のプルアップ抵抗Ｒ１，Ｒ２により、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ３のゲート−ソース間電圧は０Ｖ近傍に保たれ、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ３を安定して導通状態にすることができる。
ここで、本実施の形態であるレクテナ装置１について、レクテナ１０を電圧源に内部抵抗が直列につながったモデルに単純化したとき、レクテナ１０にかかる印加電圧は、抵抗分圧の関係より、レクテナ１０の印加電圧＝レクテナ１０の起電力×負荷３０の抵抗／（レクテナ１０の内部抵抗＋負荷３０の抵抗）となり、レクテナ１０の印加電圧がレクテナ１０の整流器１６の降伏電圧を超えないように設計することが望ましい。例えば、レクテナ１０の起電力が２０Ｖで、レクテナ１０の内部抵抗が１００Ω、整流器１６の降伏電圧が１５Ｖである場合、負荷３０の抵抗が３００Ω未満であれば、制御部７０が起動しない場合において、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ３が導通状態になり、定常的にレクテナ１０に直流電力が供給されても、整流器１６の印加電圧は降伏電圧を超えない。そのため、レクテナ１０の内部抵抗及び負荷３０の抵抗を適宜設計し、レクテナ１０の印加電圧がレクテナ１０の整流器１６の降伏電圧を超えないように設計することが望ましい。
また、レクテナ制御器２０からの出力先負荷が、蓄電池又は電力系統等の定電圧とみなせる出力先に出力する場合は、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ３及びインダクタＬ１での電圧降下が十分小さいとすると、レクテナ制御器２０からの出力電圧は、蓄電池又は電力系統等の出力電圧と等しい電圧に定電圧出力される。そのため、蓄電池又は電力系統等の出力電圧は、レクテナ１０の整流器１６の降伏電圧よりも低い場合において、本実施の形態であるレクテナ制御器２０を適用することができる。
また、本実施の形態では、レクテナ１０にマイクロ波が受電されておらず、直流電力への変換動作が行われていないため、制御部７０に駆動電圧が供給されていない場合を例に説明したが、これに限定されるわけではなく、制御部７０が動作していないときに、入力端子４２に急激な印加電圧の上昇が起こった場合に本実施の形態であるレクテナ制御器２０を適用することができる。具体的には、例えば、制御部７０が故障して動作できない状態においても、レクテナ１０に印加される電圧が急激に上昇することを防ぎ、レクテナ１０が故障するのを防ぐことができる。
また、本実施の形態では、電流経路Ｐ１に電圧制御器６０の一部であるスイッチング素子Ｑ１，Ｑ３に、制御部７０が動作していないとき、導通状態になるスイッチング素子を用いる例を説明したが、必ずしもこれに限定されるわけではなく、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ３に加え、さらに別のスイッチング素子を電流経路Ｐ１に設け、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ３と同様、制御部７０が動作していないときに、導通状態になるスイッチング素子も用いても構わない。
実施の形態２．
本発明の実施の形態２であるレクテナ装置は、実施の形態１と異なり、複数のレクテナ制御器が直列に接続される。その他の同一符号を付した部分については、実施の形態１のレクテナ制御器と同様に構成されるため、説明は省略する。また、本実施の形態であるレクテナの構成については、実施の形態１のレクテナと同様に構成されるため、説明は省略する。
図４は、本実施の形態であるレクテナ装置の詳細な構成を示す回路図である。
図４に示すように、本実施の形態であるレクテナ装置は、複数のレクテナ制御器２０ａ，２０ｂが直列に接続される。具体的に２つのレクテナ制御器２０ａ，２０ｂが直列に接続された例で説明すると、２つのレクテナ制御器２０ａ，２０ｂは、入力部４０で異なるレクテナ１０にそれぞれ接続され、レクテナ制御器２０ａの出力端子５２は負荷３０へ接続され、レクテナ制御器２０ａの出力接地端子５４はレクテナ制御器２０ｂの出力端子５２に接続され、レクテナ制御器２０ｂの出力接地端子５４は接地される。レクテナ制御器２０ａ，２０ｂの回路構成は、実施の形態１のレクテナ制御器２０と同様であるため、説明は省略する。
ここで、本実施の形態であるレクテナ装置として、２つのレクテナ制御器を例に説明を行ったが、３つ以上のレクテナ制御器を直列に接続しても構わない。
次に、本実施の形態であるレクテナ制御器２０ａ，２０ｂの動作について説明を行う。
各レクテナ制御器２０ａ，２０ｂの動作については、実施の形態１と同様であるため、詳細な説明は省略するが、各レクテナ制御器２０ａ，２０ｂに接続されるレクテナ１０により、マイクロ波を受電し、変換された直流電力は、各レクテナ制御器２０ａ，２０ｂにより、変換された直流電力の電力変換効率が最大になるように、レクテナ１０と負荷３０との間のインピーダンス調整が行われることにより、整流器１６の出力電圧の電圧制御を行い、例えば、蓄電池、動力機又は電力系統等の負荷３０に適した電圧の直流電力が供給される。
次に、制御部７０が動作をしていない場合のレクテナ制御器２０ａ，２０ｂの動作についても、実施の形態１と同様であるため、詳細な説明は省略するが、例えば、レクテナ制御器２０ａの制御部７０が動作をしていない場合、レクテナ制御器２０ａの入力電圧Ｖｉｎは、レクテナ制御器２０ｂからの出力電圧がレクテナ制御器２０ａのレクテナ１０を介して入力されたり、レクテナ制御器２０ａのレクテナ１０のマイクロ波の受電により変換された直流電力による印加電圧が入力されたりして、急激に上昇する。
このとき、本実施の形態であるレクテナ制御器２０ａは、実施の形態１と同様、入力端子４２と出力端子５２とを結ぶ電流経路Ｐ１に設けられるスイッチング素子Ｑ１，Ｑ３に、制御部７０が動作していないとき、導通状態になるスイッチング素子を用いているため、制御部７０が動作していなくても、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ３は導通状態であり、急激に上昇した直流電力は、レクテナ制御器２０ａのスイッチング素子Ｑ１、インダクタＬ１、スイッチング素子Ｑ３を通って、負荷３０に供給され、接地電圧に帰還する。これにより、レクテナ制御器２０ａ，２０ｂのレクテナ１０に印加される入力電圧は低下し、入力された直流電力が急激に上昇するのを防ぐことができるため、レクテナ１０への急激な印加電圧の上昇に伴う整流器１６の降伏を防ぎ、レクテナ１０が故障するのを防ぐことができる。
また、例えば、レクテナ制御器２０ｂの制御部７０が動作をしていない場合は、レクテナ制御器２０ｂの入力電圧Ｖｉｎは、レクテナ制御器２０ｂのレクテナ１０のマイクロ波の受電開始により変換された直流電力による印加電圧が入力され、急激に上昇する。
このとき、本実施の形態であるレクテナ制御器２０ｂは、実施の形態１と同様、入力端子４２と出力端子５２とを結ぶ電流経路Ｐ１に設けられるスイッチング素子Ｑ１，Ｑ３に、制御部７０が動作していないとき、導通状態になるスイッチング素子を用いているため、制御部７０が動作していなくても、レクテナ制御器２０ｂのスイッチング素子Ｑ１，Ｑ３は導通状態であり、急激に上昇した直流電力は、レクテナ制御器２０ｂのスイッチング素子Ｑ１、インダクタＬ１、スイッチング素子Ｑ３を通って、レクテナ制御器２０ａの出力接地端子５４に供給され、通常動作を行っているレクテナ制御器２０ａにより、通常のインピーダンス制御が行われ、レクテナ制御器２０ｂの出力電圧が負荷３０へ供給される。これにより、レクテナ制御器２０ｂのレクテナ１０に印加される入力電圧は低下し、入力された直流電力が急激に上昇するのを防ぐことができるため、レクテナ１０への急激な印加電圧の上昇に伴う整流器１６の降伏を防ぎ、レクテナ１０が故障するのを防ぐことができる。
以上より、本実施の形態であるレクテナ制御器及びそれを備えたレクテナ装置は、実施の形態１と同様、制御部が動作していないとき、スイッチング素子が導通状態になり、電流経路を導通状態にすることにより、レクテナに印加される電圧の急激な上昇を防ぎ、レクテナが故障するのを防ぐことができる。
また、従来では、レクテナ制御器がＯＦＦ状態におけるレクテナへの急激な印加電圧の上昇を考慮して、高い降伏電圧を有するレクテナを用いる必要があったが、本実施の形態であるレクテナ制御器は、レクテナに印加される電圧が急激に上昇するのを防止することができるため、従来よりも降伏電圧の小さい安価なレクテナを用いることができるので、実施の形態１と同様、本実施の形態であるレクテナ装置のコストを低減させることができる。
実施の形態３．
本発明の実施の形態３であるレクテナ制御器は、実施の形態２と異なり、レクテナ制御器の入力部にダイオードが接続されている。その他の同一符号を付した部分については、実施の形態１のレクテナ制御器と同様に構成されるため、説明は省略する。また、レクテナ装置の構成については、実施の形態１のレクテナ装置と同様に構成されるため、説明は省略する。
図５は、本実施の形態であるレクテナ装置の詳細な構成を示す回路図である。
図５に示すように、本実施の形態であるレクテナ制御器２２ａ，２２ｂは、レクテナ制御器２２ａ，２２ｂの入力部４０である入力端子４２と入力接地端子４４との間、及び、レクテナ１０と電圧制御部６０との間に、キャパシタＣ１と並列にダイオードＤ１が接続されている。ダイオードＤ１は、アノードが入力接地端子４４に接続され、カソードが入力端子４２に接続され、例えば、ツェナーダイオードからなり、入力端子４２と接地との間に順方向に設けられる。
次に、本実施の形態であるレクテナ制御器２２ａ，２２ｂの動作について説明を行う。本実施の形態であるレクテナ制御器２２ａ，２２ｂの通常動作については、実施の形態１及び実施の形態２と同様であるため、説明を省略する。また、制御部７０が動作をしていない場合のレクテナ制御器２２ａ，２２ｂの動作については、実施の形態２と同様である動作については説明を省略し、実施の形態２と異なる動作について説明を行う。
例えば、レクテナ制御器２２ａに接続されたレクテナ１０が故障し、レクテナの出力部が開放状態であった場合、実施の形態２のレクテナ制御器２０ａ，２０ｂの構成では、レクテナ制御器２０ａの入力端子４２に印加された直流電力は、スイッチング素子Ｑ１、インダクタＬ１、スイッチング素子Ｑ３を通って、負荷３０に供給され、接地電圧に帰還するものの、レクテナ制御器２０ｂから供給された直流電力は、レクテナ制御器２０ａに接続されるレクテナ１０が故障しているため、レクテナ制御器２０ａのレクテナ１０が開放状態になり、レクテナ制御器２０ａのスイッチング素子Ｑ１、インダクタＬ１、スイッチング素子Ｑ３を通って、負荷３０に供給させ、接地電圧に帰還させることができず、レクテナ制御器２０ｂのレクテナ１０に急激な印加電圧の上昇が発生し、レクテナ制御器２０ｂのレクテナ１０が故障してしまう。
しかしながら、本実施の形態であるレクテナ制御器２２ａ，２２ｂは、レクテナ制御器２２ａ，２２ｂの入力部４０である入力端子４２と入力接地端子４４との間、及び、レクテナ１０と電圧制御部６０との間に、キャパシタＣ１と並列にダイオードＤ１が接続されているため、レクテナ制御器２２ｂから供給された出力電圧は、レクテナ制御器２２ａのダイオードＤ１のアノードに印加され、ダイオードＤ１に順方向の電流が流れ、レクテナ制御器２２ｂに接続されるレクテナ１０に印加される電圧の急激な上昇を防ぎ、レクテナ制御器２２ｂに接続されるレクテナ１０が故障するのを防ぐことができる。
また、レクテナ制御器２２ｂに接続されるレクテナ１０で生成された直流電力を、レクテナ制御器２２ａのダイオードＤ１を介して、負荷３０に供給することができるため、故障していないレクテナ１０で発電された直流電力を有効に活用することができる。
以上より、本実施の形態であるレクテナ制御器及びそれを備えたレクテナ装置は、実施の形態１及び実施の形態２と同様、レクテナに印加される電圧の急激な上昇を防ぎ、レクテナが故障するのを防ぐことができる。また、実施の形態１及び実施の形態２と同様、従来よりも降伏電圧の小さい安価なレクテナを用いることができるので、本実施の形態であるレクテナ装置のコストを低減させることができる。
また、本実施の形態であるレクテナ制御器及びそれを備えたレクテナ装置は、ダイオードを設けることにより、直列接続された他のレクテナ制御器に接続されるレクテナが故障したとしても、故障していないレクテナ制御器に接続されるレクテナに印加される電圧の急激な上昇を防ぎ、故障していないレクテナ制御器に接続されるレクテナが故障するのを防ぐことができる。また、故障していないレクテナで発電された直流電力を負荷に供給することができ、直流電力を有効に活用することができる。
また、本実施の形態であるレクテナ制御器に設けられたダイオードＤ１にツェナーダイオードを用いることで、レクテナ１０に印加される電圧を一定に保つことができる。また、ツェナーダイオードの降伏電圧をレクテナ１０の降伏電圧よりも小さくすることで、レクテナ１０が降伏する前にツェナーダイオードが降伏するため、レクテナ１０の故障をさらに防ぐことができる。
ここで、本実施の形態であるレクテナ制御器では、レクテナ制御器２２ａ，２２ｂの入力部４０である入力端子４２と入力接地端子４４との間、及び、レクテナ１０と電圧制御部６０との間に、キャパシタＣ１と並列にダイオードＤ１が接続されている例を説明したが、例えば、図６に示すように、ダイオードＤ１に代えて、スイッチング素子Ｑ５を設けても構わない。
その場合、スイッチング素子Ｑ５は、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ３と同様、制御端子が制御部７０に接続され、制御部７０が動作していないとき、導通状態になるスイッチング素子が用いられる。スイッチング素子Ｑ５の具体例は、実施の形態１のスイッチング素子Ｑ１，Ｑ３の具体例と同様である。
制御部７０が動作していないとき、導通状態になるスイッチング素子Ｑ５を用いることにより、ダイオードＤ１と同様、レクテナ１０が故障し開放状態になったとしても、導通状態のスイッチング素子Ｑ５の電流経路を用いて、故障していないレクテナ制御部２０に接続されるレクテナ１０に印加される電圧の急激な上昇を防ぎ、故障していないレクテナ制御部２０に接続されるレクテナ１０が故障するのを防ぐことができる。また、故障していないレクテナ１０で発電された直流電力を負荷に供給することができ、直流電力を有効に活用することができる。
ここで、ダイオードＤ１又はスイッチング素子Ｑ５をレクテナ制御器２０内に設ける例を説明したが、必ずしもレクテナ制御器２０内に設ける必要はなく、レクテナ１０内又はレクテナ１０とレクテナ制御器２０との間に別に設けても構わない。
実施の形態４．
本発明の実施の形態４であるレクテナ制御器は、実施の形態３と異なり、ダイオードに電流が流れたとき、制御部は、ダイオードに並列に接続されるスイッチング素子を導通状態にする。その他の同一符号を付した部分については、他の実施の形態のレクテナ制御器と同様に構成されるため、説明は省略する。また、レクテナ装置の構成については、実施の形態１のレクテナ装置と同様に構成されるため、説明は省略する。
本実施の形態であるレクテナ制御器の回路構成、通常時の動作、及び、制御部７０が動作をしていない場合の動作については、実施の形態３と同様であるため、説明は省略し、実施の形態３と異なる点についてのみ説明を行う。
本実施の形態であるレクテナ制御器は、図５に示すように、ダイオードＤ１に電流が流れたとき、制御部７０は、ダイオードＤ１に並列に接続されるスイッチング素子Ｑ２及びスイッチング素子Ｑ４の少なくとも一方を導通状態に制御する。
具体的に説明すると、例えば、実施の形態３と同様、レクテナ制御器２２ａに接続されたレクテナ１０が故障していた場合、レクテナ制御器２２ｂから供給された出力電圧は、レクテナ制御器２２ａのダイオードＤ１のアノードに印加され、ダイオードＤ１に順方向の電流が流れる。
このとき、レクテナ制御器２２ａの制御部７０は動作していないため、レクテナ制御器２２ａのスイッチング素子Ｑ１，Ｑ３は導通状態になっているので、レクテナ制御器２２ｂから供給された出力電圧は、レクテナ制御器２２ａのダイオードＤ１、スイッチング素子Ｑ１、インダクタＬ１、スイッチング素子Ｑ３を通って、負荷３０に供給させ、接地電圧に帰還する。ここまでは、実施の形態３と同様である。
その後、レクテナ制御器２２ａの制御部７０が、例えば、レクテナ制御器２２ｂから供給された出力電圧に基づいて動作を開始した後、レクテナ制御器２２ａの制御部７０はスイッチング素子Ｑ２及びスイッチング素子Ｑ４の少なくとも一方を導通状態に制御する。
これにより、実施の形態３と同様、ダイオードＤ１に順方向の電流が流れることにより、レクテナ制御器２２ｂに接続されるレクテナ１０に印加される電圧の急激な上昇を防ぐとともに、ダイオードＤ１よりも電圧降下の小さいスイッチング素子Ｑ２及びスイッチング素子Ｑ４の少なくとも一方を導通状態に制御することにより、負荷３０に供給される直流電力の電力損失を低減させることができ、故障していないレクテナ１０で発電された直流電力を高効率に負荷３０に供給することができる。
また、スイッチング素子Ｑ２及びスイッチング素子Ｑ４の少なくとも一方を導通状態に制御することにより、ダイオードＤ１に流れる順方向の電流を減らすことができるため、ダイオードＤ１に発生する発熱を抑えることができ、ダイオードＤ１の劣化を抑えることができるとともに、ダイオードＤ１の温度上昇に伴う電解コンデンサ等の周辺部品の温度上昇を抑え、周辺部品の性能低下及び劣化を抑えることができる。
ここで、レクテナ制御器２２ａに接続されたレクテナ１０が故障している場合、レクテナ制御器２２ａはレクテナ１０から直流電力を得られず、制御部７０は動作できない。また、レクテナ制御器２２ｂから供給された出力電圧により、ダイオードＤ１に順方向の電流が流れるが、レクテナ制御器２２ａに接続されるレクテナ１０から供給される入力電圧とは逆電圧のため、実施の形態１で説明した通常の定電圧レギュレータでは制御部７０は動作できない。そこで、本実施の形態では、故障したレクテナ１０に接続されるレクテナ制御器２２ａの制御部７０が動作を開始して、スイッチング素子Ｑ２及びスイッチング素子Ｑ４の少なくとも一方を導通状態に制御できるように、例えば、ダイオードＤ１を介して、レクテナ制御器２２ｂから供給された逆電圧である出力電圧を、順方向の電圧に反転して昇圧するスイッチングレギュレータを設け、レクテナ制御器２２ａの制御部７０に電力を供給しても構わない。また、別に二次蓄電池又はキャパシタ等の予備の直流電圧源を設け、ダイオードＤ１に順方向の電流が流れたのを検知して、予備の直流電圧源から制御部７０に電力を供給する構成にしても構わない。
また、本実施の形態であるレクテナ制御器は、レクテナ１０にマイクロ波が受電され、高い電圧が印加され、ダイオードＤ１が降伏した場合にも適用可能である。具体的に説明すると、レクテナ装置が動作していないときに、レクテナ制御器２２ａに接続されるレクテナ１０にマイクロ波が受電され、急激に上昇した直流電力がレクテナ１０に印加された場合、ダイオードＤ１の降伏電圧がレクテナ１０の降伏電圧よりも小さいとすると、ダイオードＤ１は降伏し、逆方向の電流がダイオードＤ１を流れ、レクテナ１０が故障するのを防ぐ。ここまでは、実施の形態３と同じである。
その後、レクテナ制御器２２ａに接続されるレクテナ１０からの直流電力により制御部７０は動作を開始し、スイッチング素子Ｑ２及びスイッチング素子Ｑ４の少なくとも一方を導通状態に制御する。
これにより、実施の形態３と同様、ダイオードＤ１の降伏により、レクテナ１０が故障するのを防ぐとともに、導通状態に制御されたスイッチング素子Ｑ２及びスイッチング素子Ｑ４の少なくとも一方に、ダイオードＤ１に流れる逆方向電流の一部が流れ、ダイオードＤ１に流れる逆方向電流を減らすことができるので、ダイオードＤ１に発生する発熱を抑えることができ、ダイオードＤ１の劣化を抑えることができるとともに、ダイオードＤ１の温度上昇に伴う電解コンデンサ等の周辺部品の温度上昇を抑え、周辺部品の性能低下を抑えることができる。
以上より、本実施の形態であるレクテナ制御器及びそれを備えたレクテナ装置は、他の実施の形態と同様、レクテナに印加される電圧の急激な上昇を防ぎ、レクテナが故障するのを防ぐことができる。また、実施の形態１及び実施の形態２と同様、従来よりも降伏電圧の小さい安価なレクテナを用いることができるので、本実施の形態であるレクテナ装置のコストを低減させることができる。
また、実施の形態３と同様、ダイオードを設けることにより、直列接続された他のレクテナ制御器に接続されるレクテナが故障したとしても、故障していないレクテナ制御器のレクテナに印加される電圧の急激な上昇を防ぎ、レクテナが故障するのを防ぐことができる。また、故障していないレクテナで発電された直流電力を負荷に供給することができ、直流電力を有効に活用することができる。
また、実施の形態３と同様、ダイオードにツェナーダイオードを用いることで、レクテナに印加される電圧を一定に保つことができ、ツェナーダイオードの降伏電圧をレクテナの降伏電圧よりも小さくすることで、レクテナが降伏する前にツェナーダイオードが降伏するため、レクテナの故障をさらに防ぐことができる。
また、本実施の形態であるレクテナ制御器及びそれを備えたレクテナ装置は、ダイオードに電流が流れたとき、制御部は、ダイオードに並列に接続されるスイッチング素子を導通状態にすることにより、負荷に供給される直流電力の電力損失を低減させることができ、故障していないレクテナで発電された直流電力を高効率に負荷に供給することができ、ダイオードに発生する発熱を抑えることができ、ダイオードの劣化を抑えることができるとともに、ダイオードの温度上昇に伴う電解コンデンサ等の周辺部品の温度上昇を抑え、周辺部品の性能低下及び劣化を抑えることができる。
ここで、本実施の形態では、ダイオードＤ１を例に説明したが、実施の形態３で説明した図６の構成のように、ダイオードＤ１に代えて、スイッチング素子Ｑ５を用いた場合にも適用することができる。その場合のスイッチング素子Ｑ２及びスイッチング素子Ｑ４の構成及び動作については、上述で説明したものと同様である。
なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。さらに、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。また、上記実施の形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出されうる。
１０ レクテナ、２０，２０ａ，２０ｂ，２２ａ，２２ｂ レクテナ制御器、３０ 負荷、４０ 入力部、５０ 出力部、６０ 電圧制御部、７０ 制御部、Ｑ１〜Ｑ５ スイッチング素子、Ｄ１ ダイオード

Claims (9)

  1. 高周波を受電し、直流電力に変換するレクテナに接続され、前記レクテナから入力される前記直流電力を制御し、負荷へ供給するレクテナ制御器であって、
    前記レクテナで変換された前記直流電力が入力される入力端子と、
    制御された前記直流電力を前記負荷へ供給する出力端子と、
    前記入力端子と前記出力端子とを結ぶ電流経路に設けられる第１スイッチング素子と、
    前記第１スイッチング素子を制御する制御部と、を備え、
    前記第１スイッチング素子は、前記制御部が動作していないとき、導通状態になり、前記電流経路を導通状態にすることを特徴とするレクテナ制御器。
  2. 前記第１スイッチング素子は、ノーマリオントランジスタであることを特徴とする請求項１に記載のレクテナ制御器。
  3. 前記ノーマリオントランジスタは、前記制御部に接続されるゲート電極と、前記入力端子に接続されるソース電極とを備え、
    前記ゲート電極と前記ソース電極との間に接続されるプルアップ抵抗を備えることを特徴とする請求項２に記載のレクテナ制御器。
  4. カソードが前記入力端子に接続され、アノードが接地されるダイオードを備えることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のレクテナ制御器。
  5. 前記ダイオードに並列に接続され、前記制御部により制御される第２スイッチング素子を備え、
    前記制御部は、前記ダイオードに電流が流れたとき、前記第２スイッチング素子を導通状態にすることを特徴とする請求項４に記載のレクテナ制御器。
  6. 前記ダイオードは、ツェナーダイオードであることを特徴とする請求項４又は請求項５に記載のレクテナ制御器。
  7. 前記入力端子と接地との間に接続される第３スイッチング素子を備え、前記第３スイッチング素子は、前記制御部が動作していないときに導通状態になることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のレクテナ制御器。
  8. 前記第３スイッチング素子に並列に接続され、前記制御部により制御される第４スイッチング素子を備え、
    前記制御部は、前記第３スイッチング素子に電流が流れたとき、前記第４スイッチング素子を導通状態にすることを特徴とする請求項７に記載のレクテナ制御器。
  9. 高周波を受電し、直流電力に変換するレクテナと、
    前記レクテナに接続される請求項１から請求項８のいずれか一項に記載のレクテナ制御器と、
    を備え、前記レクテナ制御器は、複数有し直列に接続されることを特徴とするレクテナ装置。
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